什么是量子通信量子通信原理全面解析

近日有媒体报道称,在此前举办的2020天翼智能生态博览会上,中国电信在展台上发布了两款样机,分别是由华为和中兴手机改装而成。 和原来的手机最大的区别就是中国电信和国盾量子为这两款手机充当了屏保识别,所以如此深刻。 它和我们现在使用的量子通信智能手机有什么区别?

或许直到现在,很多人还不是很清楚量子通信和量子计算的优势。 他们甚至对什么是量子感到困惑。 人们已经解释说,量子通信和计算具有许多优势。 可以简单理解为,量子通信在于安全,量子计算在于速度,量子通话自然也是“安全”的。 这个解释还可以,但毕竟因为距离太远,量子还是有点“神秘”。

1.什么是量子通信?

量子通信是指利用量子力学原理控制量子态的一种通信形式,可以有效解决信息安全问题。 量子通信是量子信息科学的一个重要分支。 它利用量子力学的原理来控制量子态并在两个地点之间交换信息,可以完成经典通信无法完成的任务。 量子通信是迄今为止唯一被严格证明无条件安全的通信方式,能够有效解决信息安全问题。

2. 量子通信原理

量子通信的原理只有四个部分:量子纠缠、量子不可克隆定理、密钥分发和隐形传态。 与传统密码学不同,量子密钥分发是密码学与量子力学相结合的产物。 它利用量子态作为信息载体,利用量子力学的一些基本物理原理来传输和保护信息。

(1)量子纠缠

量子纠缠描述了复合系统(具有两个以上成员系统)的一种特殊类型的量子态。 这个量子态不能分解为成员系统各自量子态的张量积。 量子纠缠技术的目的是安全传输信息。 两个处于固定量子态的纠缠粒子用于将信息携带到另一个区域。 根据纠缠原理,只有与其纠缠过的粒子才能再次与其形成纠缠态。 这样可以起到很好的加密作用:即两个纠缠粒子A和B表达一定的信息,并以A作为密钥将B传输到另一个位置。 如果想要破译信息,就必须用A粒子再次与B纠缠起来,才能破译。 这极大地保证了信息传输的安全性和破译的唯一性。

(2)量子不可克隆定理

其具体内容可以从以下三个方面来表达:

① 没有任何物理过程可以完整复制两个不同的非正交状态。

② 量子系统任何未知的量子态都无法被完全复制。

③ 要从其中编码的非正交量子态中获取信息,这些态不被破坏是不可能的。

(3)量子密钥分发

秘密通信依赖于密钥。 如果发送者 Alice 和接收者 Bob 拥有只有他们自己知道的私钥,他们就可以秘密通信。 Alice可以将密钥的相应位添加到她的消息编码的每一位中并将其发送给Bob。 Bob收到这个随机比特串后,就可以使用密钥提取Alice发送的消息。 即使窃听者截获了传输中的信号,也无法获得任何消息,因为单独传输中的比特串本身并不携带消息,而消息被编码在传输串和密钥相关性中。

(4)量子隐形传态

量子隐形传态,又称量子隐形传态、量子隐形传态、量子隐形传态、量子隐形传态或量子隐形传态,是一种利用分散量子纠缠和某些物理信息的转换,将量子态传输到任意距离的方法。 技术是一种新的沟通方式。 它传输的不再是经典信息,而是量子态承载的量子信息。

3. 量子通信工作计划

量子通信有两种选择。

一种是直接通信的解决方案,比如“乒乓协议”,利用量子通信的方式直接传输信息。 这种方案也被称为量子隐形传态,即将A地的一个粒子的未知量子态瞬间转移到B地的另一个粒子。不过,量子隐形传态目前还处于实验室阶段,还没有成功实现的报道在实际的量子通信中。

另一种最广泛使用且势头强劲的方案是间接通信方案,也称为量子密钥分发方案。 它有两种通道:一种是经典通道,使用普通的有线或无线方式发送密文; 另一种是量子通道,专门用于生成密钥。 每发送一条消息,通信双方都要重新生成一个新的密钥,即每次加密的密钥都不同,实现了消息发送的“一次性加密”,并且在发送过程中也能被检测到。密钥发送过程。 由于没有监听者,因此原则上可以实现绝对安全可靠的通信。 目前,所谓的量子通信一般采用通过量子信道分发密钥的方案。

4. 量子通信发展现状

自1992年首次量子密钥分发实验成功以来,国内外量子通信技术发展迅速。

海外发展

为了了解国外的发展进程,下面列出了国外的几个量子通信实验:

(1) 1993年,英国国防研究局利用光纤中的BB84协议实现了10km距离上的量子密钥分发。

(2)2000年,美国阿拉莫斯国家实验室实现了1.6km自由空间的量子密钥分发。

(3) 2002年,瑞士日内瓦大学Gisin小组在67公里光纤上演示了量子密钥分发。

(4)2004年,日本NEC公司在光纤上实现了150km的量子密钥分发距离。

(5)2006年,德国、奥地利、意大利、英国的四所大学在两岛之间进行了夜间144公里的自由空间量子密钥分发实验。

(6) 2008年,欧盟在维也纳开通了拥有8个用户的量子网络。

(7)2008年,意大利和奥地利科学家首次识别出从1500公里高度的卫星反射回地球的单批光子,从而为星地量子通信奠定了基础。

(8)欧盟计划2017年发射量子通信卫星,实现星地量子通信。

国内发展

在中国,量子通信由中国科学技术大学潘建伟和郭光灿两个研究小组主导,他们的研究成果经常发表在《自然》等重要国际期刊上。 可以说,中国的量子通信水平在世界上名列前茅。 以下是中国学者在量子通信领域的主要发展历程:

(1)1995年,中国科学院物理研究所首次利用BB84协议完成了演示实验。

(2)2003年,中国科学技术大学在校园内安装了3.2公里的量子通信系统。

(3)2005年,郭光灿课题组完成了京津之间125公里的光纤量子通信实验。

(4)2012年,潘建伟团队成功建成“合肥地铁量子通信实验示范网”。 该网络有46个节点,连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。

(5)2012年,我国学者在青海湖完成了百公里尺度纠缠光子对量子密钥分配实验。

(6)2013年,中科院及有关部门启动了“京沪干线”工程,数千公里光纤量子通信骨干网工程。 该项目于2017年9月29日正式启动。

(7)2016年,中国酒泉卫星发射中心发射了世界首颗量子通信实验卫星,目标是实现北京至乌鲁木齐之间的量子保密通信,德令哈至丽江之间实现了1200公里的大范围量子非通信距离。局域性测试还实现了卫星与阿里巴巴之间的星地量子隐形传态。 该卫星质量约为640公斤,运行在高度500公里的轨道上。 卫星上有4个有效载荷:量子密钥通信器、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子测试和控制处理器,可同时与相距数千公里的地面两个光站建立量子光链路。

5. 量子通信的发展方向

量子通信技术发展成熟后,将广泛应用于军事保密通信以及政府机关、军工企业、金融、科研院所等需要高保密通信的场合。 量子通信未来有以下发展方向:

(1)利用量子中继技术扩大通信距离。 由于单个光子在传输过程中损耗很大,因此必须采用中继技术进行长距离传输。 然而,量子态的不可克隆原理给量子中继带来了很大的问题。 由于量子态无法复制,量子中继无法像普通信号中继一样接收并放大微弱信号,然后转发。 量子中继只能在光子到达最远传输距离之前接收到信号,先存储起来,然后读出信号,最后以单光子的形式发送出去。 量子中继的解决方案有很多,包括光量子解决方案、固态原子解决方案等。

(2)采用星地通信方式实现远程传输。 随着卫星通信的采用,两地之间的量子通信将变得更加方便快捷。 在真空环境下,光子基本没有损失,损失主要发生在低于地面的大气层中。

(三)建立量子通信网络,实现多地互通。 量子通信要实用,必须覆盖很多地方形成网络。 国内外已建成许多实用的量子通信网络。 下一步的发展是扩大节点数量,延长通信距离,形成覆盖面积大的广域网。

您已经听说过很多有关量子通信、量子加密以及其他与量子相关的信息。 尽管科研人员仍在加速探索真相的进展,但对于大众来说,量子离人们还是有点遥远:生活中看不到它,工作中也不需要它。 其实你不用担心,量子通信真的越来越近了,而且这次是可以拿在手里的“量子手机”。 更可喜的是,这次是我们自己的专利,所以我们说,“‘量子’是真的。” 一定要发展好、支持好。 加油,我们的科技人员。